Lambda表达式

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1. 基本用法

lambda表达式是C++11最重要也是最常用的特性之一，这是现代编程语言的一个特点，lambda表达式有如下的一些优点：

  • 声明式的编程风格：就地匿名定义目标函数或函数对象，不需要额外写一个命名函数或函数对象。
  • 简洁：避免了代码膨胀和功能分散，让开发更加高效。
  • 在需要的时间和地点实现功能闭包，使程序更加灵活。

lambda表达式定义了一个匿名函数，并且可以捕获一定范围内的变量。lambda表达式的语法形式简单归纳如下：

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[capture](params) opt -> ret {body;};

其中capture是捕获列表，params是参数列表，opt是函数选项，ret是返回值类型，body是函数体。

  1. 捕获列表[]: 捕获一定范围内的变量

  2. 参数列表(): 和普通函数的参数列表一样，如果没有参数参数列表可以省略不写。

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    auto f = [](){return 1;}	// 没有参数, 参数列表为空
    auto f = []{return 1;}		// 没有参数, 参数列表省略不写

  3. opt 选项， 不需要可以省略

    • mutable: 可以修改按值传递进来的拷贝（注意是能修改拷贝，而不是值本身）
    • exception: 指定函数抛出的异常，如抛出整数类型的异常，可以使用throw();

  4. 返回值类型：在C++11中，lambda表达式的返回值是通过返回值后置语法来定义的。

  5. 函数体：函数的实现，这部分不能省略，但函数体可以为空。

2. 捕获列表

lambda表达式的捕获列表可以捕获一定范围内的变量，具体使用方式如下：

  • [] - 不捕捉任何变量
  • [&] - 捕获外部作用域中所有变量, 并作为引用在函数体内使用 (按引用捕获)
  • [=] - 捕获外部作用域中所有变量, 并作为副本在函数体内使用 (按值捕获)
    • 拷贝的副本在匿名函数体内部是只读的
  • [=, &foo] - 按值捕获外部作用域中所有变量, 并按照引用捕获外部变量 foo
  • [bar] - 按值捕获 bar 变量, 同时不捕获其他变量
  • [&bar] - 按引用捕获 bar 变量, 同时不捕获其他变量
  • [this] - 捕获当前类中的this指针
    • 让lambda表达式拥有和当前类成员函数同样的访问权限
    • 如果已经使用了 & 或者 =, 默认添加此选项

下面通过一个例子，看一下初始化列表的具体用法：

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#include <iostream>
#include <functional>
using namespace std;

class Test
{
public:
    void output(int x, int y)
    {
        auto x1 = [] {return m_number; };                      // error
        auto x2 = [=] {return m_number + x + y; };             // ok
        auto x3 = [&] {return m_number + x + y; };             // ok
        auto x4 = [this] {return m_number; };                  // ok
        auto x5 = [this] {return m_number + x + y; };          // error
        auto x6 = [this, x, y] {return m_number + x + y; };    // ok
        auto x7 = [this] {return m_number++; };                // ok
    }
    int m_number = 100;
};
  • x1：错误，没有捕获外部变量，不能使用类成员 m_number
  • x2：正确，以值拷贝的方式捕获所有外部变量
  • x3：正确，以引用的方式捕获所有外部变量
  • x4：正确，捕获this指针，可访问对象内部成员
  • x5：错误，捕获this指针，可访问类内部成员，没有捕获到变量x，y，因此不能访问。
  • x6：正确，捕获this指针，x，y
  • x7：正确，捕获this指针，并且可以修改对象内部变量的值
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int main(void)
{
    int a = 10, b = 20;
    auto f1 = [] {return a; };                        // error
    auto f2 = [&] {return a++; };                     // ok
    auto f3 = [=] {return a; };                       // ok
    auto f4 = [=] {return a++; };                     // error
    auto f5 = [a] {return a + b; };                   // error
    auto f6 = [a, &b] {return a + (b++); };           // ok
    auto f7 = [=, &b] {return a + (b++); };           // ok

    return 0;
}
  • f1：错误，没有捕获外部变量，因此无法访问变量 a
  • f2：正确，使用引用的方式捕获外部变量，可读写
  • f3：正确，使用值拷贝的方式捕获外部变量，可读
  • f4：错误，使用值拷贝的方式捕获外部变量，可读不能写
  • f5：错误，使用拷贝的方式捕获了外部变量a，没有捕获外部变量b，因此无法访问变量b
  • f6：正确，使用拷贝的方式捕获了外部变量a，只读，使用引用的方式捕获外部变量b，可读写
  • f7：正确，使用值拷贝的方式捕获所有外部变量以及b的引用，b可读写，其他只读

在匿名函数内部，需要通过lambda表达式的捕获列表控制如何捕获外部变量，以及访问哪些变量。默认状态下lambda表达式无法修改通过复制方式捕获外部变量，如果希望修改这些外部变量，需要通过引用的方式进行捕获。

3. 返回值

很多时候，lambda表达式的返回值是非常明显的，因此在C++11中允许省略lambda表达式的返回值。

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// 完整的lambda表达式定义
auto f = [](int a) -> int
{
    return a+10;  
};

// 忽略返回值的lambda表达式定义
auto f = [](int a)
{
    return a+10;  
};

一般情况下，不指定lambda表达式的返回值，编译器会根据return语句自动推导返回值的类型，但需要注意的是labmda表达式不能通过列表初始化自动推导出返回值类型。

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// ok，可以自动推导出返回值类型
auto f = [](int i)
{
    return i;
}

// error，不能推导出返回值类型
auto f1 = []()
{
    return {1, 2};	// 基于列表初始化推导返回值，错误
}

4. 函数本质

使用lambda表达式捕获列表捕获外部变量，如果希望去修改按值捕获的外部变量，那么应该如何处理呢？这就需要使用mutable选项，被mutable修改是lambda表达式就算没有参数也要写明参数列表，并且可以去掉按值捕获的外部变量的只读（const）属性。

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int a = 0;
auto f1 = [=] {return a++; };              // error, 按值捕获外部变量, a是只读的
auto f2 = [=]()mutable {return a++; };     // ok

最后再剖析一下为什么通过值拷贝的方式捕获的外部变量是只读的:

  1. lambda表达式的类型在C++11中会被看做是一个带operator()的类，即仿函数。
  2. 按照C++标准，lambda表达式的operator()默认是const的，一个const成员函数是无法修改成员变量值的。

mutable选项的作用就在于取消operator()的const属性。

因为lambda表达式在C++中会被看做是一个仿函数，因此可以使用std::function和std::bind来存储和操作lambda表达式：

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#include <iostream>
#include <functional>
using namespace std;

int main(void)
{
    // 包装可调用函数
    std::function<int(int)> f1 = [](int a) {return a; };
    // 绑定可调用函数
    std::function<int(int)> f2 = bind([](int a) {return a; }, placeholders::_1);

    // 函数调用
    cout << f1(100) << endl;
    cout << f2(200) << endl;
    return 0;
}

对于没有捕获任何变量的lambda表达式，还可以转换成一个普通的函数指针：

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using func_ptr = int(*)(int);
// 没有捕获任何外部变量的匿名函数
func_ptr f = [](int a)
{
    return a;  
};
// 函数调用
f(1314);